背景
能源危機使鋰離子電池儲能系統(tǒng)在過去幾年得到了更加廣泛的使用，但也出現(xiàn)了一些危險事故造成設(shè)施和環(huán)境的損壞，經(jīng)濟損失、甚至人員傷亡。調(diào)查發(fā)現(xiàn)即使儲能系統(tǒng)已符合電池系統(tǒng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如UL 9540和UL 9540A，但還是發(fā)生了熱失控以及火災(zāi)。因此，從以往的案例中吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，分析風(fēng)險及其對策，將有利于儲能系統(tǒng)技術(shù)的后續(xù)發(fā)展。
案例回顧
以下總結(jié)了2019至今全球各地大型儲能系統(tǒng)的事故案例，這些案例都有公開的報告。
以上事故發(fā)生的原因可以總結(jié)為以下兩個：
1)內(nèi)部電芯失效，引發(fā)電池與模組的熱失控，最后引起整個儲能系統(tǒng)的著火或爆炸
電芯熱失控引發(fā)的故障呈現(xiàn)的現(xiàn)象基本上是先起火再爆炸：如，2019年發(fā)生在美國亞利桑那州的McMicken電站和2021年中國北京豐臺電站事故均是在起火后發(fā)生爆炸;這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是單個電芯失效，引發(fā)內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，釋放熱量(放熱反應(yīng))，溫度持續(xù)上升，且傳播到附近的電池和模組，引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。電芯的失效模式一般由過充或控制系統(tǒng)故障、熱暴露、外部短路和內(nèi)部短路(可由各種情況引起，如壓痕或凹痕、材料雜質(zhì)、外部物體滲透等)引起。
電芯熱失控之后會產(chǎn)生可燃氣體?？梢钥吹角叭鸢咐l(fā)生爆炸的原因都是可燃氣體不能及時排出而引發(fā)的。此時電池與模組，集裝箱的通風(fēng)系統(tǒng)則顯得格外重要。一般電池是通過排氣閥排出氣體，排氣閥的壓力調(diào)節(jié)可以減少可燃氣體的堆積。模組階段一般會使用外部風(fēng)扇或外殼自身散熱設(shè)計來避免可燃氣體聚集。最后在集裝箱層面，也需要有通風(fēng)設(shè)施及監(jiān)測系統(tǒng)來疏散可燃氣體。
2)外部輔助系統(tǒng)故障引發(fā)的儲能系統(tǒng)故障
由輔助系統(tǒng)故障而引發(fā)的整個儲能系統(tǒng)故障一般發(fā)生在電池系統(tǒng)的外部，可能會發(fā)生外部元器件的燃燒或冒煙，當(dāng)系統(tǒng)及時監(jiān)測與響應(yīng)后，不會對電池系統(tǒng)的電芯產(chǎn)生失效或熱失控的影響。在2021年Vistra Moss Landing 1期和2022年的2期事故中，由于當(dāng)時在調(diào)試階段，故障監(jiān)控和電氣故障安全裝置被關(guān)閉，無法及時響應(yīng)，才產(chǎn)生了冒煙與火災(zāi)。這種火焰燃燒通常從電池系統(tǒng)外部開始，最后才會蔓延到電芯內(nèi)部，所以不會發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)與可燃氣體聚集的情況，通常不會發(fā)生爆炸。且如果此時噴淋系統(tǒng)能及時開啟，也不會造成大面積的設(shè)施損壞。
而2021年在澳大利亞吉朗發(fā)生的“Victorian電站”火災(zāi)是由于冷卻劑泄漏引起的電池短路，造成起火。此時電池系統(tǒng)的物理隔離也是值得我們注意的地方。外部設(shè)施最好與電池系統(tǒng)保持一定的獨立空間，避免相互干擾。電池系統(tǒng)最好自身也保持一定的絕緣功能，避免外部短路。
應(yīng)對方案
從以上分析可知，發(fā)生儲能系統(tǒng)事故的原因為電芯的熱失控及輔助系統(tǒng)的故障，如果不能防止故障發(fā)生，那么減少阻斷故障發(fā)生后的進一步惡化，則也能減少損失。這些措施可以從以下幾個方面的考慮：
1、阻斷電芯熱失控后的熱蔓延
Ø 在電芯之間增加隔絕屏障，在電芯之間增加隔絕屏障阻斷電芯熱失控后的蔓延，隔絕屏障可以安裝在電芯與電芯之間，模組之間，機架之間，這在NFPA 855(固定式儲能系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn))的附錄部分也有提到相應(yīng)要求。隔絕屏障的具體措施包括電芯之間插入冷水板，氣凝膠等。
Ø 在電池系統(tǒng)中增加滅火裝置，當(dāng)單個電芯發(fā)生熱失控后可以迅速反應(yīng)啟動滅火裝置。鋰離子火災(zāi)隱患背后的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致了儲能系統(tǒng)滅火設(shè)計與常規(guī)消防方案不同，不僅要撲滅大火，還要降低電池的溫度。否則，電芯的放熱化學(xué)反應(yīng)將繼續(xù)發(fā)生，并引發(fā)重燃。
在選取滅火材料的時候也需格外注意。如將水直接噴灑在燃燒的電池外殼上可能會產(chǎn)生可燃氣體混合物。且如果電池外殼或機架為鋼材料，水并不能阻止熱失控。一些案例表明水或其他類型的液體接觸到電池端子也可能加劇火勢。如2021年9月發(fā)生Vistra Moss Landing電站火災(zāi)事件，報告表明電站冷卻軟管和管道接頭出現(xiàn)故障，導(dǎo)致水噴灑在電池架上，最終造成電池短路與電弧。
2、可燃氣體及時排放
上述的所有案例報告都指出，聚集的可燃氣體是爆炸的主要原因。因此，場地設(shè)計與布局，氣體監(jiān)測和通風(fēng)系統(tǒng)，對于降低這種風(fēng)險非常有效。NFPA 855標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)要求要有連續(xù)氣體檢測系統(tǒng)的這一要求，當(dāng)檢測到一定水平的可燃氣體(即LFL的25%)時，該系統(tǒng)會啟動排氣通風(fēng)。另外UL 9540A試驗中也有收集排氣，檢測氣體LFL下限的要求。
除通風(fēng)外，還建議使用泄爆板。在NFPA 855中提到，儲能系統(tǒng)安裝和維護要按照NFPA 68(爆燃通風(fēng)防爆標(biāo)準(zhǔn))和NFPA 69(防爆系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn))進行。但當(dāng)系統(tǒng)符合防火和爆炸測試(UL 9540A或同等標(biāo)準(zhǔn))時，則可以豁免此項要求。但測試的條件并不能完全代表真實情況，因此建議加強通風(fēng)和防爆。
3、輔助系統(tǒng)的故障預(yù)防
在Victorian電站和Vistra Moss Landing電站事故中，不完善的軟件/固件編程和調(diào)試/啟動前程序也是引起火災(zāi)的原因之一。在Victorian電站火災(zāi)中，其中一個模組引發(fā)的熱失控沒有被識別或阻斷，熱失控之后的火災(zāi)也沒有被中斷。因為當(dāng)時不需要調(diào)試，所以系統(tǒng)被手動關(guān)閉，包括禁用遙測系統(tǒng)，故障監(jiān)控和電氣故障安全裝置;監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)也系統(tǒng)尚未運行，因為需要24小時才能建立設(shè)備連接。
因此，建議任何閑置的模組都應(yīng)有主動遙測、故障監(jiān)控和電氣安全裝置，而不是通過鎖開開關(guān)手動關(guān)閉。所有電氣安全保護裝置都應(yīng)保持在主動模式。此外，還應(yīng)增加額外的警報系統(tǒng)來識別和響應(yīng)各種緊急事件。
在Vistra Moss Landing1期和2期電站中也發(fā)現(xiàn)了一個軟件編程錯誤。盡管沒有超過啟動閾值，但電池的散熱系統(tǒng)被激活。同時水管接頭故障與電池單元上層泄露，進水使電池模組短路。這兩個例子顯示了軟件/固件編程在啟動程序之前的檢查和調(diào)試是多么重要。
總結(jié)
通過對幾起儲能電站火災(zāi)事故的分析，應(yīng)高度重視通風(fēng)和防爆控制，合適的安裝和調(diào)試程序，包括軟件編程檢查，這些都可以避免電池事故。此外，應(yīng)制定全面的應(yīng)急響應(yīng)計劃的，以應(yīng)對有毒氣體和物質(zhì)的產(chǎn)生。
來源：MCM廣州邦禾檢測
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